Исследование времени переключения абонентского устройства между сетью LTE и когнитивной радиосетью

Технологии когнитивного радио предусматривают использование временно неиспользуемых телевизионныx каналов («белых пятен») в диапазонах УКВ [1-2]. Это позволяет строить сети доступа в полосе телевизионных частот от 54 МГц до 862 МГц [3-4]. Использование данной технологии актуально для пригородных территорий, сельских районов, где вероятность наличия свободных телевизионных каналов существенно возрастает. Известны примеры использования для организации транспортной сети распространения цифрового мультиплекса [5], интеллектуальной транспортной системы [6], для обмена в «умных сетях» Smart Grid [7], для межмашинной связи между устройствами (Device-To-Device, D2D) [8], для удаленного мониторинга пациентов [9].

Первым международным стандартом когнитивного радио с «белыми пятнами» является стандарт IEEE 802.22 для региональной (внутри- зоновой) сети. Этот стандарт рассматривается как основной для организации канала связи при переключении абонентского устройства (User Equipment, UE) из сети 3GPP LTE. Необходимость переключения UE может быть вызвана ухудшением качества обслуживания. В контексте бесшовного (seamless) переключения для обеспечения минимальных задержек требуется оценить время переключения из 3GPP LTE в IEEE 802.22, имея в виду сверхмалые задержки до 1 мс в тактильном Internet будущего [10]. В настоящий момент не разработано аналитической модели для оценки времени переключения UE из 3GPP LTE в сеть IEEE 802.22, что обусловливает чрезвычайно широкий диапазон оценок от 8 с до 15 мин. [11]. С помощью разработанной модели можно дать более обоснованную оценку значения времени переключения абонентского устройства для различной интенсивности запросов на переключение от абонентских устройств.

Авторизация CPE (UE) в когнитивной радиосети IEEE 802.22

В сети IEEE 802.22 между оборудованием в помещении клиента CPE (Customer Premises Equipment) и базовой станцией (БС) доступа расстояние составляет от 25 до 100 км. Стандарт IEEE 802.22 включает спецификации диспетчера или менеджера (Spectrum Manager, SM) радиочастотного спектра (РЧС), а также описание процедур инициализации и регистрации CPE. Информация менеджера РЧС постоянно обновляется в результате измерений доступности спектра с помощью данных CPE или других устройств [12].

Другой важной функцией менеджера РЧС является установление предельного значения эквивалентной изотропно излучаемой мощности (EIRP) для предотвращения непреднамеренных помех для первичных (лицензионных) пользователей РЧС . Эта защита обеспечивается на основе информации радиочастотного мониторинга, хранящейся в специализированной базе данных измеренных значений EIRP. Далее CPE и UE рассматриваются как единое абонентское устройство CPE (UE) с двумя приемопередающими радиомодулями для сети 3GPP LTE и сети IEEE 802.2. Оба радиомодуля активизируются с помощью программного управления CPE (UE).

В сети IEEE 802.22 для исходящего и входящего потока трафика рассматривается нормальный режим, при котором БС должна посылать данные суперкадра с заголовком управления (Superframe Control Header, SCH), которые доступны для прослушивания CPE (UE). До начала переключения CPE (UE) поддерживает физическое соединение и IP-сеанс связи через базовую станцию 3GPP LTE eNodeB. Управление eNodeB и шлюзами осуществляется через систему пакетной передачи 3GPP EPS. В EPS узел управления мобильностью (MME) отвечает за выбор сервисного шлюза (S-GW), шлюза с сетью с коммутацией пакетов (P-GW) и организацию канала передачи. Шлюз S-GW отвечает за маршрутизацию и перенаправление пакетов , обработку пакетов транспортного уровня .

Шлюз P-GW обеспечивает связь сети с пакетной коммутацией (PDN) с CPE (UE) с использованием сетей доступа 3GPP или сетей доступа, не соответствующих 3GPP. Узел 3GPP ANDSF (Access Network Discovery Service Function) предоставляет CPE (UE) по запросу информацию об обнаруженных сетях с беспроводным доступом для связи с сетью пакетной коммутации (PDN). Для получения IP-адреса в целевой сети IEEE 802.22 используется сервер DHCP, сервер TFTP, сервер времени сети. Менеджер РЧС IEEE 802.22 и ANDSF рассматриваются как единый узел «менеджер РЧС/ANDSF», мощность принима- емого сигнала достаточна для работы CPE (UE) в сети IEEE 802.22.

Модель переключения CPE (UE) из 3GPP LTE в IEEE 802.22 представлена в виде пошаговой процедуры. В отличие от [13] процедура будет включать этап IP-регистрации устройства CPE (UE) в сети IEEE 802.22. В отличие от [14] процедура будет охватывать ячейки сетей с различными технологиями радиодоступа (3GPP и не-3GPP). Процедура соответствует вертикальному хэндоверу (Vertical handover, VHO) в гетерогенных сетях [15-16] с учетом автономности абонентского устройства в выборе сети доступа по ряду признаков . Доступ рассматривается как координируемый менеджером РЧС/ ANDS.

Пусть на основе собственных измерений CPE(UE) принимает решение о необходимости VHO. Отправляется сообщение клиента Hello (1) через сеть 3GPP LTE на известный IP-адрес менеджера РЧС/ANDSF для обнаружения целевой сети (см. рис. 1). Запрос (2) и ответ (3) включают данные ключа KeyExchange для установления туннеля безопасности транспортного уровня (TLS). С помощью сообщения (4) завершается формирование TLS, сообщение (5) является запросом уже по туннелю TLS для обнаружения сети для VHO. Сообщение (6) есть ответ с информацией о доступных сетях, правилах регистрации, информации о конфигурации CPE для работы в IEEE 802.22. Устройство CPE(UE) тестирует свою конфигурацию и активирует радиоинтерфейс IEEE 802.22. Включается режим обнаружения несущих, выполняется геолокационное позиционирование и с помощью данных в (6) из множества доступных сетей выбирается IEEE 802.22. CPE (UE) начинает прослушивание канала управления для получения рабочих параметров .

CPE (UE)

(1) Client Hello

Менеджер РЧС/ ANDSF

• (2)    Server KeyExchange

• (3)    Client KeyExchange

• (4)    Change CipherSuite Finished

Туннель TLS IPSec

• (5)    Access Network Info Request

• (6)    Access Network Info Response [Параметры IEEE802.22]

Принятие решения о выборе сети, самотестирование и конфигурирование каналов приема и передачи в сети

IEEE 802.22

Рис. 1. Обнаружение CPE (UE) сети для VHO

C учетом [3] время синхронизации для входящего и исходящего потока устанавливается в 12,6 с. Далее CPE (UE) авторизуется в сети IEEE 802.22 (см. рис. 2).

Базовая станция IEEE 802.22

CPE

(UE)

Сервер AAA сети IEEE 802.22

• (7)    RNG-REQ [Адрес MAC ]

• (8)    RNG-RSP [EIRP]

• (9)    CBC-REQ [Основные возможности] (10) CBC-RSP [макс. EIRP]

  (11) SCM-REQ [SCM EAR Start]

  
  

  • (14)    SCM-RSP [EAP Success]

  • (15)    SCM Key-Request message

  
  

(12) SCM-REQ [SCM EAP Transfer]

(13)SCM-RSP [SCM EAP Transfer]

• (16)    SCM Key-Replay [ТЕК] Response

• (17)    REG-REQ request

(18) REG-RSP

Рис. 2. Авторизация CPE (UE) в сети IEEE 802.22

Сначала передается сообщение (7) для определения EIRP для исходящего и входящего канала. Сообщение (8) содержит данные БС о текущем значении EIRP. Запрос (9) нужен для определения основных возможностей канала передачи (CBC), например значения полосы пропускания. Сообщение (10) является ответом (RSP) на (9) с методом формирования и передачи протокольного блока данных и максимально допустимом значении EIRP для текущего местоположения CPE (UE).

Сообщение (11) для управления безопасностью (SCM) сеанса связи передается в форме запроса протокола расширенной аутентификации (EAP). Запрос SCM-REQ (12) в форме сообщения EAP Transfer является сообщением об инициализации EAP, которое транслируется БС на узел (сервер) AAA для авторизации в сети IEEE 802.22. Сообщение SCM-RSP (13) является ответом на (12). Сообщение (14) SCM-RSP об успехе осуществления EAP передается для завершения аутентификации. Когда сообщение (14) принято, то CPE (UE) получает ключевую информацию для шифрования последующих сообщений. Сообщение (15) передается для организации защиты трафика с помощью ключа шифрования трафика (TEK). Базовая станция IEEE 802.22 отвечает сообщением SCM Key-Reply (16). Начинается процедура регистрации, где CPE (UE) сначала верифицирует свою рабочую конфигурацию, для чего передает сообщение регистрации (REG-REQ) (17) с данными о своем местоположении и рабочих параметрах. В сообщении (18) БС устанавливает рабочие параметры CPE (UE) для сеанса связи.

Организация сеанса связив когнитивной радиосети IEEE 802.22

В разрабатываемой процедуре CPE (UE) полностью отключает радиомодуль 3GPP LTE и освобождает ресурсы сети LTE при переключении в сеть IEEE 802.22 (см. рис. 3). При этом данные для передачи временно записываются в буфер.

CPE

(UE)

3GPP eNodeB

3GPP MME

3GPP S-GW

3GPP P-GW

3GPP hPCRF

(19) Detach Request

(20) Delete Session Request

(21) Delete Session Request

Отключения модуля 3GPP LIE

(23)Delete Session Response

(22) Delete Session Response

(24) Indication of IP-CAN Session Termination

Базовая станция IEEE 802.22

(25) Acknowledge IP-CAN Session Termination

(26) Обнаружение сервера DHCP -------------------------------------------------------1-------------------------------------------------------------------------------------------------------- (27) Предложение DHCP

DHCP сервер

• (28)    Запрос выбранному серверу DHCP

• (29)    Отклик сервера DHCP

• (30)    Регистрация IP адреса

Установление IP сессии

Рис. 3. Освобождение ресурсов сети 3GPP LTE

Сначала передается запрос (19), который содержит значение глобальной уникальной временной идентификации (Globally Unique Temporary UE Identity, GUTI) и параметр отключения. Затем с помощью сообщения (20) узел 3GPP MME деактивирует активные каналы передачи в EPS для данного CPE (UE). Деактивация необходима для каждого канала передачи, если таких каналов было несколько. Узел S-GW также удаляет информацию о каждом деактивируемом канале передачи. С помощью сообщения (21) узел S-GW отправляет запрос на освобождение канала на P-GW. В результате все каналы, относящиеся к затронутому соединению между CPE(UE) и PDN, освобождаются.

Сообщение (22) является ответом на сообщение (21) для S-GW, а сообщение (23) является подтверждением от шлюза S-GW в MME об удалении данных. В итоге радиомодуль 3GPP LTE отключается и начинается запись данных в буфер. Для завершения доступа к IP-сети (IP-CAN) через LTE необходимо отправить сообщение (24). Сообщение (24) является указанием для домашнего узла hPCRF о завершении сеанса связи IP в сети 3GPP LTE, что подтверждается сообщением (25).

С помощью сообщения (26) CPE(UE) обращается к серверу DHCP для получения нового IP-адреса. С помощью (27) сервер DHCP проверяет MAC-адрес CPE (UE). После передачи сообщений (28) и (29) CPE (UE) получает необходимый IP-адрес. CPE (UE) запускает процесс синхронизации даты и времени (30) (см. рис. 4).

Базовая

CPE             станция IEEE        Сервер TFTP

(UE)                 802.22           времени сервер

I

______ (31) Запрос времени ________

J (32) Ответ с данными о времени -----------------------------------------------1---------------------------------------------•

• (33)    Запрос файла конфигурации TFT ---------------------------1-------------------------------------►

• (34)    Передача файла конфигурации TFT

• (35)    TFTP-CPLT

• (36)    TFTP-RSP "

• (37)    DSA-REQ

• (38)    DSA-RSP

• (39)    DSA-ACK

Динамическое формирование потоков трафика для предоставления услуг

Рис. 4. Организация сеанса связи в IEEE 802.22

После обмена сообщениями (31) и (32) CPE (UE) получает текущую дату и время. В результате обмена сообщениями (33) и (34) CPE (UE)

загружает файл конфигурации для поддержки услуг пользователя.

Об успешной загрузке файла конфигурации CPE (UE) уведомляет в сообщении (35) TFTP Complete (TFTP-CPLT). Базовая станция IEEE 802.22 формирует ответ (36) TFTP Complete Response (TFTP-RSP) с подтверждением завершения реконфигурации. Запрос (37) на динамическое добавление потока (DSA-REQ) содержит указание на поток трафика и параметры требуемого качества связи. Сообщения (38) DSA-RSP и (39) DSA-ACK требуются для информирования и подтверждения о динамическом добавлении потока трафика и оказания услуги уже в сети IEEE 802.22.

Аналитическая модель для оценки времени переключения

Аналитическая модель позволяет оценить время переключения CPE (UE), включая время ожидания и время обслуживания в рамках рассматриваемой процедуры. С учетом [3] максимальное количество пользователей в зоне обслуживания БС IEEE 802.22 составляет 512 CPE (UE). Для анализа модели предположим, что максимально 10% от числа этих пользователей может понадобиться вертикальный хэндовер из сети 3GPP LTE в сеть IEEE 802.22. Процедура обслуживания предусматривает обмен по крайней мере 39 сигнальными сообщениями, которые были описаны выше. Для оценки времени переключения при вертикальном хэндовере предлагается использовать метод расчета времени пребывания заявки в многофазной системе массового обслуживания (СМО) с фоновым трафиком [17], где входящий трафик разделяется на основной и фоновый трафик на каждом обслуживающем узле.

Сигнальные сообщения (1)-(39) формируют основной трафик, а прочие сообщения, например сообщения внешней системы управления, формируют фоновый трафик. Поток сигнальных сообщений на рис. 1-4 образует маршрутную цепь, состоящую из К = 39 состояний. Первое состояние соответствует началу обслуживания инициирующего сообщения ClientHel-loMessage на первом узле (оборудование пользователя) CPE(UE). Финальное состояние соответствует обслуживанию последнего сообщения DSA-ACK на БС IEEE 802.22.

Пусть входящий поток заявок на каждой фазе пуассоновский [18]. Обозначим интенсивность входящего потока ^0 ’ среднее время обслуживания заявок пользователей основного потока на k-ой фазе Ьк, интенсивность потока и среднее время обслуживания заявок фонового потока в узле на k-ой фазе – Лк и d соответственно.

Нагрузка на узел на k -ой фазе рассчитывается как сумма нагрузок основного и фонового трафика по формуле (1):

Рк  А А ⁺ ^к^к •            (1)

На втором шаге применения рассматриваемого метода определяется квадрат коэффициента вариации времени обслуживания на k -ой фазе по формуле (2):

,₂ ДЛ + лдл^А + ААА _t ^к (Ab_k + W- ’

где к = 1;2...К. Далее определяется среднее время ожидания Wfc в узле на k -ой фазе c помощью известной формулы Поллячека-Хинчина, как показано в формуле (3):

_w р^Ф

2(1^— Рк ХЛ) ⁺А)          (3)

После расчета среднего времени ожидания W_k на каждой фазе, зная среднее время обслуживания ь^ заявок основного трафика, определяется среднее время переключения при вертикальном хэндовере Δ путем суммирования среднего времени ожидания и среднего времени обслуживания на всех K фазах по формуле (4):

^ = УМ+ЬА

ы(4)

Далее рекомендуется провести оценку квантиля уровня V времени пребывания заявки в многофазной СМО по формуле (5):

Qv =^+Z(^^+A),(5)

к=\7 к где ч^ – единственный положительный корень уравнения:

К (ул V

• 1    ^ = £е-««       .(6)

Параметр затухания 7 к функции распределения времени пребывания заявки основного потока в узле на k -ой фазе является единственным положительным корнем уравнения а(.7кШ-7к) = ^Х’

/ \ А + А где акЛ$) =           есть преобразование Лап-

Л^ + Л^ + S ласа-Стилтьеса (ПЛС) функции распределения (ФР) интервалов между поступлениями заявок на k-oй фазе, р (5)=-2^e-sbt ^—^e-sdt А+А А+А есть ПЛС ФР длительности обслуживания заявок в узле на k-ой фазе, k = 1; 2 … K. Доказательство корректности этого метода приведено в [17].

Значения средних времен обслуживания заявок в узлах для модели приведены в таблице 1.

Заметим, что анализ времени переключения при вертикальном хэндовере для данной процедуры предполагает успешное обслуживание каждого сообщения, входящего в предложенную процедуру. Интенсивности основного А и фонового трафика ^к могут быть взаимозависимы.

Рассмотрим три варианта:

• (а)    Я_о = Л_к и d_k = 2 с;

• (Ь)    л₀ = Х_к и d_k = 0,5 с;

• (с)    Я_о = 102_t и d_k = 2 с.

Пусть время обслуживания заявки распределено экспоненциально. Анализ среднего времени переключения или задержки при вертикальном хэндовере представлен на рис. 5.

Таблица 1. Данные для оценки времени переключения

Узлы	Среднее время обслуживания, А,"’, с-
CPE (UE)	0,3 для (9) как таймер (Т) T9 [3]; 0,3 для (39) как Т8 [3]; 0,1 (оценка авторов) для остальных сообщений
SM/ANDSF	60 с как Т28 [3]
BS (БС)	0,005 для (10) какТ18 [3]; 1 для (16) как Т39 [3]; 3 для (18) как Тб [3]; 0,01 для (36) как Т26 [3]; 1 для (38) как Т7 [3]; 0,1 (оценка авторов) для остальных сообщений
AAA IEEE 802.22	ЮкакТЗб [3]
eNodeB	0,004 [15]
MME	0,001 [15]
S-GW	0,002 [15]
P-GW	0,002 [15]
hPCRF	0,07 [15]
DHCP	0,5 [15]
Сервер времени	0,5 (оценка авторов с учетом [15])
ТЕТР сервер	10 (оценка как ААА)

Минимальное время задержки при VHO из сети LTE в сеть IEEE 802.22 составляет 210 с, а процедура VHO охватывает все узлы. Узел SM/ ANDSF занимает максимальное время в рамках процедуры, однако очевидно, что нет необходимости использовать данный узел SM/ANDSF, когда интенсивность VHO равна 0.

Интенсивность запросов на VHO, мин"

Рис. 5. Время задержки переключения при вертикальном хэндовере LTE – IEEE 802.22

Следовательно, начальное время общей процедуры VHO будет менее чем 90 с. В отсутствие применения узла SM/ANDSF это время можно рассматривать как начальное время инициализации устройства в сети IEEE 802.22, то есть реализацию только шагов (7)-(18) и (26)-(39). Увеличение интенсивности VHO оказывает влияние на увеличение среднего времени переключения, как это видно на рис. 5.

Существенное значение времени переключения обусловлено значительным временем поиска свободного ТВ-канала, которое включает как время собственно обнаружения, так и время подтверждения (T28 = 60 с) того факта, что ТВ-канал свободен. Время поиска может быть сокращено путем использования метода предиктивного менеджмента, позволяющего выбирать каналы, вероятность незанятости которых в краткосрочной перспективе минимальна с учетом их прошлого использования. Этот метод принятия решения может применяться в рамках предлагаемой модели без изменения последней, только путем уменьшения времени таймера T28.

Заключение

В статье предложена процедура переключения абонентского устройства из сети 3GPP LTE в когнитивную сеть стандарта IEEE 802.22 с временно свободными участками РЧС («белыми пятнами»). Информация о наличии «белых пятен»

доступна абонентскому устройству CPE (UE) через интегрированный узел менеджера РЧС и ANDSF. Процедура переключения состоит из 39 сигнальных сообщений, включая процедуры самотестирования, авторизации и реорганизации каналов для передачи данных. Предложен метод оценки времени переключения с помощью многофазной системы массового обслуживания с фоновым трафиком.

Применение указанного метода обусловлено следующими преимуществами: возможность анализа квантилей времени пребывания заявки при вертикальном хэндовере, возможность учета фонового трафика. Полученная численная оценка позволяет уточнить время переключения, что важно для сетей со сверхмалыми задержками.

Целью последующих исследований является применение других методов анализа, например с помощью приближенного метода оценки задержки в сети с использованием формул Крамера и Лангенбах-Бельца, который может быть применен для любой функции распределения времени обслуживания в узлах.

Другой задачей последующих исследований является вероятностная оценка ранжирования доступных сетей связи при вертикальном хэндо-вере. Большая вероятностная оценка (ранг) для переключения может быть присвоена сети с более стабильным сигналом либо сети с большим свободным ресурсом. Публикация подготовлена при поддержке Программы РУДН «5-100» и при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 17-07-00845 и № 15-07-03051.